PCB的信號完整性與設(shè)計

在PCB的設(shè)計中,PCB設(shè)計人員需要把元器件的布局、布線及每種情況下應(yīng)采用的何種SI問題解決方法綜合起來,才能更好地解決PCB板的信號完整性問題.在某些情況下IC的選擇能決定SI問題的數(shù)量和嚴重性.開關(guān)時間或邊沿速率是指IC狀態(tài)轉(zhuǎn)換的速率,IC邊沿速率越快,出現(xiàn)SI問題的可能性越高,正確地端接器件就很重要.PCB設(shè)計中減少信號完整性問題常用的方法是在傳輸線上增加端接元器件.在端接過程中,要權(quán)衡元器件數(shù)量、信號開關(guān)速度和電路功耗三方面的要求.例如增加端接元器件意味著PCB設(shè)計人員可用于布線的空間更少,而且在布局處理的后期增加端接元器件會更加困難,因為為新的元件和布線留出相應(yīng)的空間.因此在PCB布局初期就應(yīng)當搞清楚是否需要放置端接元器件.

1.信號完整性設(shè)計的一般準則:



PCB的層數(shù)如何定義?

包括采用多少層?各個層的內(nèi)容如何安排合理?如應(yīng)該有幾層信號層、電源層和地層,信號層與地層如何交替排列等.



如何設(shè)計多種類的電源分塊系統(tǒng)?

如3.3V、2.5V、3V、1.8V、5V、12V等等.電源層的合理分割和共地問題是PCB是否穩(wěn)定的一個十分重要的因素.

如何配置退耦電容?

利用退耦電容來消除噪聲是常用的手段,但如何確定其電容量?電容放置在什么位置?采用什么類型的電容等?



如何消除地彈噪聲?



地彈噪聲是如何影響和干擾有用信號的?

回路(Return Path)噪聲如何消除?很多情況下,回路設(shè)計不合理是電路不工作的關(guān)鍵,而回路設(shè)計往往是工程師束手無策的工作。


如何合理設(shè)計電流的分配?

尤其是電/地層中電流的分配設(shè)計十分困難,而總電流在PCB板中的分配如果不均勻,會直接明顯地影響PCB板的不穩(wěn)定工作。

另外還有一些常見的如過沖、欠沖、振鈴、傳輸線時延、阻抗匹配、串擾、毛刺等有關(guān)信號畸變的問題,但這些問題和上述問題是不可分割的,它們之間是因果關(guān)系.

確保信號完整性的PCB板設(shè)計準則

信號完整性(SI)問題解決得越早,設(shè)計的效率就越高,從而可避免在電路板設(shè)計完成之后才增加端接元器件.隨著IC輸出開關(guān)速度的提高,不管信號周期如何,幾乎所有設(shè)計都遇到了信號完整性問題.即使過去沒有遇到SI問題,但是隨著電路工作頻率的提高,一定會遇到信號完整性的問題.SI和EMC在PCB布線之前要進行仿真和計算,然后,PCB板設(shè)計就可以遵循一系列非常嚴格的設(shè)計規(guī)則,在有疑問的地方,可以增加端接元器件,從而獲得盡可能多的SI安全裕量.電源完整性(PI)與信號完整性(SI)是密切關(guān)聯(lián)的,電源完整性直接影響終PCB板的信號完整性.而且很多情況下,影響信號畸變的主要原因是電源系統(tǒng).EMC設(shè)計目前主要采用設(shè)計規(guī)則檢查方式,很重要的一點,就是企業(yè)逐步建立和完善適合企業(yè)特定領(lǐng)域產(chǎn)品的設(shè)計規(guī)范,形成一整套的EMC設(shè)計規(guī)則集.這些在國外的大公司非常普及,如三星和SONY.這些規(guī)則由人或者EDA軟件來檢查核對.

PCB多層板解析
多層板的定義：
PCB多層板是指用于電器產(chǎn)品中的多層線路板,多層板用上了更多單面板或雙面板的布線板。用一塊雙面作內(nèi)層、二塊單面作外層或二塊雙面作內(nèi)層、二塊單面作外層的印刷線路板，通過定位系統(tǒng)及絕緣粘結(jié)材料交替在一起且導(dǎo)電圖形按設(shè)計要求進行互連的印刷線路板就成為四層、六層印刷電路板了，也稱為多層印刷線路板。



隨著SMT（表面安裝技術(shù)）的不斷發(fā)展，以及新一代SMD（表面安裝器件）的不斷推出，如QFP、QFN、CSP、BGA（特別是MBGA），使電子產(chǎn)品更加智能化、小型化，因而推動了PCB工業(yè)技術(shù)的重大改革和進步。自1991年IBM公司成功開發(fā)出高密度多層板（SLC）以來，各國各大集團也相繼開發(fā)出各種各樣的高密度互連（HDI）微孔板。這些加工技術(shù)的迅猛發(fā)展，促使了PCB的設(shè)計已逐漸向多層、高密度布線的方向發(fā)展。多層印制板以其設(shè)計靈活、穩(wěn)定可靠的電氣性能和的經(jīng)濟性能，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品的生產(chǎn)制造中。


PCB多層板與單面板、雙面板大的不同就是增加了內(nèi)部電源層（保持內(nèi)電層）和接地層，電源和地線網(wǎng)絡(luò)主要在電源層上布線。但是，多層板布線主要還是以頂層和底層為主，以中間布線層為輔。因此，多層板的設(shè)計與雙面板的設(shè)計方法基本相同，其關(guān)鍵在于如何優(yōu)化內(nèi)電層的布線，使電路板的布線更合理，電磁兼容性更好。

多層板的結(jié)構(gòu)：

層壓，顧名思義，就是把各層線路薄板粘合成一個整體的工藝。其整個過程，包括吻壓、全壓、冷壓。在吻壓階段，樹脂浸潤粘合面并填充線路中的空隙，然后進入全壓，把所有的空隙粘合。所謂冷壓，就是使線路板快速冷卻，并使尺寸保持穩(wěn)定。



層壓工藝需要注意的事項，在設(shè)計上，符合層壓要求的內(nèi)層芯板，主要是厚度、外形尺寸、的定位孔等，需要按照具體的要求進行設(shè)計，總體上內(nèi)層芯板要求無開、短、斷路，無氧化，無殘留膜。

其次，多層板層壓時，需對內(nèi)層芯板進行處理，處理的工藝有黑氧化處理和棕化處理。氧化處理是在內(nèi)層銅箔上形成一層黑色氧化膜，棕化處理工藝是在內(nèi)層銅箔上形成一層有機膜。

后，在進行層壓時，需要注意溫度、壓力、時間三大問題。溫度，主要是注意樹脂的熔融溫度和固化溫度、熱盤設(shè)定溫度、材料實際溫度及升溫的速度變化等，這些參數(shù)都需要注意。至于壓力方面，以樹脂填充層間空洞，排盡層間氣體和揮發(fā)物為基本原則。時間參數(shù)，主要是加壓時機的控制、升溫時機的控制、凝膠時間等方面。

多層板進行阻抗、層疊設(shè)計考慮的基本原則有哪些？

在進行阻抗、層疊設(shè)計的時候，主要的依據(jù)就是PCB板厚、層數(shù)、阻抗值要求、電流的大小、信號完整性、電源完整性等，一般參考的原則如下：
疊層具有對稱性；
l 阻抗具有連續(xù)性；
l 元器件面下面參考層盡量是完整的地或者電源(一般是第二層或者倒數(shù)第二層)；
l 電源平面與地平面緊耦合；
l 信號層盡量靠近參考平面層；
l 兩個相鄰的信號層之間盡量拉大間距。走線為正交；
l 信號上下兩個參考層為地和電源，盡量拉近信號層與地層的距離；
l 差分信號的間距≤2倍的線寬；
l 板層之間的半固化片≤3張；
l 次外層至少有一張7628或者2116或者3313；
l 半固化片使用順序7628→2116→3313→1080→106。

pcb多層板的優(yōu)劣勢是什么？

PCB多層板有什么優(yōu)點，又有什么缺點呢？今天就為大家解釋一下吧！

如果將PCB單面板和PCB多層板相比，先不討論其內(nèi)部質(zhì)量如何，我們都可以通過表面看到差異。這些差異對于PCB在整個使用壽命內(nèi)的耐久性和功能性非常重要。PCB多層板的主要優(yōu)點：這種電路板具有抗氧化性。多樣的結(jié)構(gòu)、高密度、表面涂層技術(shù)，確保電路板的質(zhì)量和安全，可以安全使用。以下是高可靠性多層板的重要特點，即PCB多層板的優(yōu)缺點：

1.PCB多層板孔壁銅厚度為正常是25微米。

優(yōu)點：增強的可靠性，包括改善的z軸擴展阻力。

缺點：但也存在著一定的風險：在實際使用的情況下，在吹出或脫氣，組裝過程中的電連接性（內(nèi)層分離，孔壁破裂）或在負載條件下發(fā)生故障的可能性的問題。IPC Class2（大多數(shù)工廠的標準）要求PCB多層板鍍銅少于20％。

2.無焊接修復(fù)或開路修復(fù) 。

優(yōu)點：的電路確?？煽啃院桶踩?，無需維護，無風險。

缺點：如果維修不當，PCB多層板是開放的。即使適當固定，在負載條件（振動等）下也可能存在故障的風險，這可能導(dǎo)致實際使用中的故障。

3.超出IPC規(guī)范的清潔度要求。

優(yōu)點：提高PCB多層板清潔度可提高可靠性。

風險：接線板上的殘留物，焊料的積聚會給防焊層帶來風險，離子殘留物會導(dǎo)致焊接表面被腐蝕和污染的風險，這可能導(dǎo)致可靠性問題（差焊接點/電氣故障）并終增加實際故障發(fā)生的概率。

4.嚴格控制每個表面處理的使用壽命。

優(yōu)點：焊接，可靠性和降低水分侵入的風險。

風險：是舊PCB多層板的表面處理可能導(dǎo)致金相變化，可能會有焊錫性問題，而水分侵入可能導(dǎo)致組裝過程中的問題或分層的實際使用，內(nèi)壁和壁壁的分離（開路）等。

無論是在制造組裝流程還是在實際使用中，PCB多層板都要具有可靠的性能，當然這個跟PCB打板工廠的設(shè)備、工藝技術(shù)水平都有一定的關(guān)聯(lián)。

PCB多層板和堆疊規(guī)則

1、每個PCB都需要良好的基礎(chǔ)：組裝說明

PCB的基礎(chǔ)方面包括介電材料，銅和走線尺寸以及機械層或尺寸層。用作電介質(zhì)的材料為PCB提供了兩個基本功能。當我們構(gòu)建能夠處理高速信號的復(fù)雜PCB時，介電材料會隔離在PCB相鄰層上發(fā)現(xiàn)的信號。PCB的穩(wěn)定性取決于整個平面上電介質(zhì)的一致阻抗以及在寬頻率范圍內(nèi)的一致阻抗。

盡管看起來銅作為導(dǎo)體很明顯，但還存在其他功能。銅的不同重量和厚度會影響電路實現(xiàn)正確電流量和定義損耗量的能力。就接地層和電源層而言，銅層的質(zhì)量會影響接地層的阻抗和電源層的熱導(dǎo)率。使差分信號對的厚度和長度相匹配可以鞏固電路的穩(wěn)定性和完整性，尤其是對于高頻信號而言。

物理尺寸線、尺寸標記、數(shù)據(jù)表、切口信息、通孔信息、工具信息和組裝說明不僅描述了機械層或尺寸層，而且還充當了PCB基礎(chǔ)的度量。組裝信息控制電子部件的安裝和位置。由于“印制電路組裝”過程將功能組件連接到PCB上的走線，因此組裝過程要求設(shè)計團隊專注于信號管理、熱管理、焊盤放置、電氣和機械組裝規(guī)則之間的關(guān)系，以及組件的物理安裝符合機械要求。

每個PCB設(shè)計都需要IPC-2581中的組裝文檔。其他文件包括物料清單、Gerber數(shù)據(jù)、CAD數(shù)據(jù)、示意圖、制造圖、注釋、裝配圖、任何測試規(guī)格、任何質(zhì)量規(guī)格以及所有法規(guī)要求。這些文檔中包含的準確性和細節(jié)減少了設(shè)計過程中任何出現(xiàn)錯誤的機會。

2、遵循的規(guī)則：排除和布線層

在房屋中安裝電線的電工遵守規(guī)則，以確保電線不會出現(xiàn)急劇彎曲或變得易受用于安裝石膏板的釘子或螺釘影響。使電線穿過雙頭螺栓墻需要以一致的方式來確定布線路徑的深度和高度。

保持層和布線層為PCB設(shè)計建立了相同的約束條件。保持層定義了設(shè)計軟件的物理約束（例如組件放置或機械間隙）或電氣約束（例如布線保持）。布線層建立組件之間的互連。根據(jù)PCB的應(yīng)用和類型，可以在PCB的頂層和底層或內(nèi)部層中放置布線層。

為接地平面和電源平面尋找空間

每個房屋都有一個主要的電氣服務(wù)面板或負載中心，可以接收來自公用事業(yè)公司的進來的電力，并將電力分配給為燈、插座、電器和設(shè)備供電的電路。PCB的接地層和電源層通過將電路接地和將不同的板上電壓分配給組件來提供相同的功能。與服務(wù)面板一樣，電源和接地層可以包含多個銅段，這些銅段允許電路和子電路連接到不同的電位。

保護電路板，保護走線

的房屋油漆工會仔細記錄天花板，墻壁和裝飾的顏色和飾面。在PCB上，絲網(wǎng)印刷層使用文本來頂層和底層上組件的位置。通過絲網(wǎng)印刷獲得信息可以使設(shè)計團隊免于引用裝配文件。

由房屋油漆工施加的底漆，油漆，污漬和清漆可添加引人入勝的顏色和紋理。此外，這些表面處理可以保護表面不致變質(zhì)。同樣，當某種類型的碎屑落在走線上時，PCB上的薄阻焊層可幫助PCB防止走線短路。

3、PCB疊層規(guī)則

隨著PCB技術(shù)的改進和消費者對更快，更強大產(chǎn)品的需求的增加，PCB已從基本的兩層板變?yōu)榫哂兴?，六層以及多達十至三十層的電介質(zhì)和導(dǎo)體的板。為什么要增加層數(shù)？擁有更多的層可以提高電路板分配功率，減少串擾，消除電磁干擾并支持高速信號的能力。用于PCB的層數(shù)取決于應(yīng)用、工作頻率、引腳密度和信號層要求。
通過兩層堆疊，頂層（即第1層）用作信號層。四層堆疊使用頂層和底層（或第1層和第4層）作為信號層，在此配置中，第2層和第3層用作平面。預(yù)浸料層將兩個或多個雙面板粘合在一起，并充當層之間的電介質(zhì)。六層PCB增加了兩層銅層，第二層和第五層作為平面。第1、3、4和6層承載信號。

繼續(xù)前進到六層的結(jié)構(gòu)，內(nèi)層二三（當為雙面板）和四五（當為雙面板）為芯板層，芯板之間夾半固化片（PP）。由于半固化片材料尚未完全固化，因此材料比芯材柔軟。PCB制造過程將熱量和壓力施加到整個堆疊體上，并使半固化片和纖芯熔化，以便各層可以粘結(jié)在一起。

多層板為堆疊增加了更多的銅層和電介質(zhì)層。在八層PCB中，電介質(zhì)的七個內(nèi)部行將四個平面層和四個信號層粘合在一起。十到十二層板增加了電介質(zhì)層的數(shù)量，保留了四個平面層，并增加了信號層的數(shù)量。

PCB電路板加工異常狀況分析
【PCB信息網(wǎng)】 PCB電路板加工的過程中難免會遇到幾個殘次品，有可能是機器失誤造成的，也有可能是人為原因，例如有時候會出現(xiàn)一種被稱為孔破狀態(tài)的異常情況，成因要具體情況具體分析。

如果孔破狀態(tài)是點狀分布而非整圈斷路的現(xiàn)象，就稱為點狀孔破，也有人稱它為“楔型孔破”。常見產(chǎn)生原因，來自于除膠渣制程處理不良所致。PCB電路板加工時除膠渣制程會行膨松劑處理，之后進行強氧化劑「高錳酸鹽」的侵蝕作業(yè)，這個過程會清除膠渣并產(chǎn)生微孔結(jié)構(gòu)。經(jīng)過清除過程所殘留下來的氧化劑，就依靠還原劑清除，典型配方采用酸性液體處理。

由于膠渣處理后，并不會再看到有殘膠渣問題，大家常忽略了對還原酸液的監(jiān)控，這就可能讓氧化劑留在孔壁面上。之后電路板進入化學銅制程，經(jīng)過整孔劑處理后電路板會進行微蝕處理，這時殘留的氧化劑再度受到酸浸泡而讓殘留氧化劑區(qū)的樹脂剝落，同時也等于將整孔劑破壞了。



受到破壞的孔壁，在后續(xù)鈀膠體及化學銅處理就不會發(fā)生反應(yīng)，這些區(qū)域就呈現(xiàn)出無銅析出現(xiàn)象?；A(chǔ)沒有建立，電鍍銅當然就無法完整覆蓋而產(chǎn)生點狀孔破。這類問題已經(jīng)在不少電路板廠在進行電路板加工的時候發(fā)生過，多留意除膠渣制程還原步驟藥水監(jiān)控應(yīng)該就可以改善。

PCB電路板加工過程中的每一個環(huán)節(jié)都需要我們嚴格把控，因為化學反應(yīng)有時候會在我們不注意的角落慢慢發(fā)生，從而破壞整個電路。這種孔破狀態(tài)大家要警惕了。

裸板（上頭沒有零件）也常被稱為"印刷線路板Printed Wiring Board（PWB）"。板子本身的基板是由絕緣隔熱、并不易彎曲的材質(zhì)所制作成。在表面可以看到的細小線路材料是銅箔，原本銅箔是覆蓋在整個板子上的，而在制造過程中部份被蝕刻處理掉，留下來的部份就變成網(wǎng)狀的細小線路了。這些線路被稱作導(dǎo)線（conductor pattern）或稱布線，并用來提供PCB板上零件的電路連接。

通常PCB板的顏色都是綠色或是棕色，這是阻焊（solder mask）的顏色。是絕緣的防護層，可以保護銅線，也防止波焊時造成的短路，并節(jié)省焊錫之用量。在阻焊層上還會印刷上一層絲網(wǎng)印刷面（silk screen）。通常在這上面會印上文字與符號（大多是白色的），以標示出各零件在板子上的位置。絲網(wǎng)印刷面也被稱作圖標面（legend）。

在制成終產(chǎn)品時，其上會安裝集成電路、電晶體、二極管、被動元件（如：電阻、電容、連接器等）及其他各種各樣的電子零件。借著導(dǎo)線連通，可以形成電子訊號連結(jié)及應(yīng)有機能。